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TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA – MEC
LABORATÓRIO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA
CONDUTIVIDADE TÉRMICA
1. OBJETIVO
Determinar experimentalmente a condutividade térmica de um material (cobre)
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O fluxo de calor pode ocorre de três maneiras: Condução (condução de calor no interior dos
materiais); convecção e radiação. Aqui será estudado a condutividade térmica que é a
capacidade de condução de calor do material em regime permanente, e que, de acordo com
Kreith e Bohn (2003), é uma propriedade física de cada material, sólido, líquido ou gasoso, que
indica a quantidade de calor que fluirá por ele, por unidade de tempo através de uma unidade
de área quando o gradiente de temperatura for unitário. Materiais com alta condutividade
térmica são chamados de condutores de calor, enquanto os que apresentam baixa condutividade
térmica, isolantes.
Caracterizada pelo movimento de elétrons e pela vibração da rede cristalina das moléculas,
varia de acordo com a temperatura e com a composição do material.
O transporte de energia térmica nos sólidos pode acontecer, geralmente, por dois motivos: a
migração de elétrons livres e às ondas vibracionais em treliça (fônons). Quando os elétrons e
fônons transportam energia térmica por condução em um sólido, pode-se definir a
condutividade térmica como: k = k e
+ k ph
O espaçamento linear nos líquidos e gases é consideravelmente maior do que nos sólidos e suas
moléculas possuem movimento mais aleatório, por isso, são menos eficazes ao transportar
energia térmica, logo, possuem menor condutividade térmica. Em líquidos, é causada pela
difusão atômica ou molecular. Por terem melhor condutividade térmica do que os gases e serem
capaz de fluir, os líquidos são ideias para remover o calor excedente dos componentes
mecânicos e, por isso, utilizados como refrigerantes.
Já nos gases, a condutividade é diretamente proporcional à densidade do gás, à velocidade
molecular média, ao caminho livre médio da molécula e, principalmente à temperatura (quanto
maior a temperatura, maior a condutividade térmica). Esses efeitos podem ser explicados pela
teoria cinética dos gases.
Vale dizer que nos líquidos e gases, ao impor um gradiente de temperatura, pode ocorrer
escoamento do fluido devido as forças de empuxo geradas pelas diferenças entre as massas
específicas, isso pode causar o que é conhecido como convecção natural, que, assim como a
radiação, deve ser evitada na medição da condutividade térmica.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Procedimento experimental
Materiais utilizados:
- Barra de cobre (diâmetro: d=2,54 cm e comprimento L = 12 cm);
- Becker graduado para medição de volume
- Cronômetro para medição do tempo
- Termopares para leitura das temperaturas
Figura 1 e 2: Equipamento utilizado; Desenho esquemático do condutor de cobre.
(fonte: roteiro de prática)
L – Comprimento da barra de cobre (m);
ṁ – vazão em massa (
𝑘𝑔
𝑠
c p
- calor específico da água (
𝐽
𝑘𝑔 𝐾
O experimento obteve valores de temperaturas encontradas em cada um dos quatro pontos da
amostragem, entrada e saída de água e entrada e saída de vapor. Inicialmente, a partir dos
valores das cinco medições de temperatura foi feito a média das temperaturas nos pontos de
cada entrada T 1
, T
2
, T
3
e T 4
(°C):
1
1
2
2
3
3
4
4
O calor específico e a massa específica da água devem ser determinados através de tabelas
apropriadas, em função da temperatura:
𝑝
3
4
Com a informação de variação de temperatura em função do tempo, pôde ser
determinado o valor médio da condutividade térmica do material por onde escoou a
água, no caso, o cobre.
A área de transferência de calor por condução é determinada através da equação:
2
Onde d= 0,0254, obtivemos:
2
Propriedades termodinâmica da água
T (°C) ʋ (m³/kg)
27,09 ʋ
ʋ − 0 , 001003
ʋ = 1 , 003418 × 10
− 3
3
ʋ
( 6 , 45 + 6 , 38 + 6 , 48 + 6 , 48 + 6 , 53 ) × 10
− 6
= 6 , 464 × 10
− 6
3
𝑚̇ = 𝜌 × 𝑉
𝑚̇ = 6 , 44 × 10
− 3
A partir de todos os cálculos, podemos substituir na fórmula de balanço de massa e encontrar
o valor de condutividade térmica do cobre K.
2
1
= ṁ 𝑐
𝑝
4
3
Rearranjando a fórmula, temos:
𝐿(𝑚 ×
𝑝
× (𝑇
4
3
𝐴 × (𝑇
2
1
